【文章內(nèi)容簡介】 存儲容量是指用戶程序存儲器的容量。用戶程序存儲器的容量大，可以編制出復雜的程序。一般來說，小型 PLC的用戶存儲器容量為幾千字，而大型機的用戶存儲器容量為幾萬字。 （ 2） I/O點數(shù) 輸入 /輸出（ I/O）點數(shù)是 PLC可以接受的輸入信號和輸出信號的總和，是衡量 PLC性能的重要指標。 I/O點數(shù)越多，外部可接的 輸入設備和輸出設備就越多，控制規(guī)模就越大。 （ 3）掃描速度 掃描速度是指 PLC執(zhí)行用戶程序的速度，是衡量 PLC性能的重要指標。一般以掃描 1K字用戶程序所需的時間來衡量掃描速度，通常以 ms/K字為單位。 PLC用戶手冊一般給出執(zhí)行各條指令所用的時間，可以通過比較各種 PLC執(zhí)行相同的操作所用的時間，來衡量掃描速度的快慢。 （ 4）指令的功能與數(shù)量 指令功能的強弱、數(shù)量的多少也是衡量 PLC性能的重要指標。編程指令的功能越強、數(shù)量越多， PLC 的處理能力和控制能力也越強，用戶編程也越簡單和方便，越容易完成復雜的控制任務。 （ 5）內(nèi)部元件的種類與數(shù)量 在編制 PLC程序時，需要用到大量的內(nèi)部元件來存放變量、中間結果、保持數(shù)據(jù)、定時計數(shù)、模塊設置和各種標志位等信息。這些元件的種類與數(shù)量越多，表示 PLC的存儲和處理各種信息的能力越強。 （ 6）特殊功能單元 特殊功能單元種類的多少與功能的強弱是衡量 PLC產(chǎn)品的一個重要指標。近年來各 PLC廠商非常重視特殊功能單元的開發(fā)，特殊功能單元種類日益增多，功能越來越強，使 PLC的控制功能日益擴大 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 11 （ 7）可擴展能力 PLC 的可擴展能力包括 I/O點數(shù)的擴展、存儲容量的擴展、聯(lián)網(wǎng)功能的擴展、各種功能模 塊的擴展等。在選擇 PLC時，經(jīng)常需要考慮 PLC的可擴展能力。江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 12 PLC的工作原理 PLC內(nèi)外部電路 （ 1）外部電路接線 a) 主電路 b) 控制線路 圖 131 電動機全壓起動電氣控制線路 圖 圖 131 是電動機全壓起動控制的接觸器電氣控制線路，控制邏輯由交流接觸器 KM線圈、指示燈 HL HL熱繼電器常閉觸頭 FR、停止按鈕 SB起動按鈕 SB1及接觸器常開輔助觸頭 KM通過導線連接實現(xiàn) 。 合上 QS后按下起動按鈕 SB1， 則線圈 KM通 電并自鎖，接通指示燈 HL1 所在支路的輔助觸頭 KM 及主電路中的主觸頭， HL1亮、電動機 M起動；按下停止按鈕 SB2，則線圈 KM斷電，指示燈 HL1滅， M停轉。 a)主電路 b)I/O 實際接線圖 圖 132 電動機全壓起 動 PLC 控制接線圖 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 13 圖 132 是采用西門子的一款 S7 系列 PLC 實現(xiàn)電動機全壓起動控制的外部接線圖。主電路保持不變，熱繼電器常閉觸頭 FR、停止按鈕 SB起動按鈕 SB1等作為 PLC的輸入設備接在 PLC的輸入接口上，而交流接觸器 KM線圈、指示燈 HL HL2等作為 PLC的輸出設備接在 PLC的輸出接口上。按制邏輯通過執(zhí)行按照電動機全壓控制要求編寫并存入程序存儲器內(nèi)的用戶程序實現(xiàn)。 2）建立內(nèi)部 I/O映像區(qū) 在 PLC存儲器內(nèi)開辟了 I/O映像存儲區(qū)，用于存放 I/O信號的狀態(tài)，分別稱為輸入映像寄存器和輸出映像寄存器 ，此外 PLC其它編程元件也有相對應的映像存儲器，稱為元件映像寄存器。 I/O 映像區(qū)的大小由 PLC 的系統(tǒng)程序確定，對于系統(tǒng)的每一個輸入點總有一個輸入映像區(qū)的某一位與之相對應，對于系統(tǒng)的每一個輸出點也都有輸出映像區(qū)的某一位與之相對應，且系統(tǒng)的輸入輸出點的編址號與 I/O映像區(qū)的映像寄存器地址號也對應。 PLC 工作時，將采集到的輸入信號狀態(tài)存放在輸入映像區(qū)對應的位上，運算結果存放到輸出映像區(qū)對應的位上， PLC 在執(zhí)行用戶程序時所需描述輸入繼電器的等效觸頭或輸出繼電器的等效觸頭、等效線圈狀態(tài)的數(shù)據(jù)取用于 I/O映像區(qū)，而 不直接與外部設備發(fā)生關系。 I/O 映像區(qū)的建立使 PLC 工作時只和內(nèi)存有關地址單元內(nèi)所存的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生關系，而系統(tǒng)輸出也只是給內(nèi)存某一地址單元設定一個狀態(tài)數(shù)據(jù)。這樣不僅加快了程序執(zhí)行速度，而且使控制系統(tǒng)與外界隔開，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 3）內(nèi)部等效電路 圖 133 PLC 內(nèi)部等效電路 圖 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 14 圖 133是 PLC的內(nèi)部等效電路，以其中的起動按鈕 SB1 為例，其接入接口 輸入映像區(qū)的一個觸發(fā)器 相連接，當 SB1接通時，觸發(fā)器 就被觸發(fā)為“ 1”狀態(tài)，而這個“ 1”狀態(tài)可被用戶程序直接引用為 觸頭的狀態(tài)，此時 觸頭與 SB1的通斷狀態(tài)相同，則 SB1接通， “ 1”，反之 SB1斷開， “ 0”，由于 觸發(fā)器功能與繼電器線圈相同且不用硬連接線，所以 觸發(fā)器等效為 PLC 內(nèi)部的一個 ，直接引用 個受 （或稱為動合觸頭）。 同理，停止按鈕 SB2 與 PLC 內(nèi)部的一個軟繼電器線圈 相連接， SB2 閉合， 線圈的狀態(tài)為“ 1”，反之為“ 0”，而繼電器線圈 的狀態(tài)被用戶程序取 反后引用為，所以 （或稱動斷觸頭）。而輸出觸頭 、 PLC 內(nèi)部繼電器的物理常開觸頭，一旦閉合，外部相應的 KM線圈、指示燈 HL1就會接通。 PLC輸出端有輸出電源用的公共接口 COM。 PLC的 控制系統(tǒng) 用 PLC實現(xiàn)電動機全壓起動電氣控制系統(tǒng)，其主電路基本保持不變，而用 PLC替代電氣控制線路 [4]。 （ 1） PLC控制系統(tǒng)構成 電動機全壓起動的 PLC控制系統(tǒng)可分成輸入電路、輸出電路和內(nèi)部控制電路三個部分。 a、 輸入電路 部 分 輸入電路的作用是將輸入控制信號送入 PLC，輸入設備為按鈕 SB SB2及 FR常閉觸頭。外部輸入的控制信號經(jīng) PLC輸入到對應的一個輸入繼電器，輸入繼電器可提供任意多個常開觸頭和常閉觸頭，供 PLC內(nèi)容控制電路編程使用。 b、 輸出電路 輸出電路的作用是將 PLC 的輸出控制信號轉換為能夠驅動 KM線圈和 HL1 指示燈的信號。 PLC 內(nèi)部控制電路中有許多輸出繼電器，每個輸出繼電器除了 PLC 內(nèi)部 控制電路提供編程用的常開觸頭和常閉觸頭外，還為輸出電路提供一個常開觸頭與輸出端口相連，該觸頭稱為內(nèi)部硬觸頭，是一個內(nèi)部物理常開觸頭。通過該觸頭驅動外部的 KM 線圈和 HL1 指示燈等負載，而 KM線圈再通過主電路中 KM主觸頭去控制電動機 M的起動與停止。驅動負載的電源由外電部電源提供， PLC的輸出端口中還有輸出電源用的 COM公共端。 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 15 C、 內(nèi)部控制電路 內(nèi)部控制電路由按照被控電動機實際控制要求編寫的用戶程序形成，其作用是按照用戶程序規(guī)定的邏輯關系，對輸入、輸出信號的狀態(tài)進行計算、處理和判斷，然后得到相應的輸出控制信號， 通過控制信號驅動輸出設備：電動機 M、指示燈 HL1等。 用戶程序通過個人計算機通信或編程器輸入等方式，把程序語句全部寫到 PLC的用戶程序存儲器中。用戶程序的修改只需通過編程器等設備改變存儲器中的某些語句，不會改變控制器內(nèi)部接線，實現(xiàn)了控制的靈活性。 （ 2） PLC控制梯形圖 梯形圖是一種將 PLC內(nèi)部等效成由許多內(nèi)部繼電器的線圈、常開觸頭、常閉觸頭或功能程序塊等組成的等效控制線路。 a、 梯形圖中繼電器元件物理結構不同于電氣元件 PLC 梯形圖中的線圈、觸頭只是功能上與電氣元件的線圈、觸頭等效。梯形圖中 的線圈、觸頭在物理意義上只是輸入、輸出存儲器中的一個存儲位，與電氣元件的物理結構不同。 b、 梯形圖中繼電器元件的通斷狀態(tài)不同于電氣元件 梯形圖中繼電器元件的通斷狀態(tài)與相應存儲位上的保存的數(shù)據(jù)相關，如果該存儲位的數(shù)據(jù)為“ 1”，則該元件處于“通”狀態(tài)，如果該位數(shù)據(jù)為“ 0”，則表示處于“斷”狀態(tài)。與電氣元件實際的通斷狀態(tài)不同。 c、 梯形圖中繼電器元件狀態(tài)切換過程不同于電氣元件 梯形圖中繼電器元件的狀態(tài)切換只是 PLC對存儲位的狀態(tài)數(shù)據(jù)的操作，如果 PLC對常開觸頭等效的存儲位數(shù)據(jù)賦值為“ 1”，就完成動合操作過程，同樣 如對常閉觸頭等效的存儲位數(shù)據(jù)賦值為“ 0”，就可完成動斷操作過程，切換操作過程沒有時間延時。而電氣元件線圈、觸頭進行動合或動斷切換時，必定有時間延時，且一般要經(jīng)過先斷開后閉合的操作過程。 d、 梯形圖中繼電器所屬觸頭數(shù)量與電氣元件不同 如果 PLC從輸入繼電器 “ 0”，將之存入另一個存儲器中的一個存儲位，被存入的存儲位就成了受 繼電器控制的一個常開觸頭，被存入的數(shù)據(jù)為“ 0”；如在取出位數(shù)據(jù)“ 0”之后先進行取反操作，再存入一個存儲器的一個存儲位，則該位存入的數(shù)據(jù)為“ 1”，該存儲 位就成了受繼電器 。 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 16 只要 PLC內(nèi)部存儲器足夠多，這種位數(shù)據(jù)轉移操作就可無限次進行，而每進行一次操作，就可產(chǎn)生一個梯形圖中的繼電器觸頭，由此可見，梯形圖中繼電器觸頭原則上可以無限次反復使用。 但是 PLC內(nèi)部的線圈通常只能引用一次，如需重復使用同一地址編號的線圈應慎之又慎。與 PLC不同的是電氣元件中觸頭數(shù)量是有限的。 梯形圖每一行畫法規(guī)則為從左母線開始，經(jīng)過觸頭和線圈（或功能方框），終止于右母線。一般并聯(lián)單元畫在每行的左側、輸出線圈則畫在右側，其余串聯(lián)元件畫在中間。 PLC 的 工作過程 PLC 上電后，在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下周而復始地按一定的順序對系統(tǒng)內(nèi)部的各種任務進行查詢、判斷和執(zhí)行等 。 （ 1）上電初始化 PLC上電后，首先對系統(tǒng)進行初始化，包括硬件初始化， I/O模塊配置檢查、停電保持范圍設定及清除內(nèi)部繼電器、復位定時器等。 （ 2） CPU自診斷 在每個掃描周期須進行自診斷，通過自診斷對電源、 PLC內(nèi)部電路、用戶程序的語法等進行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常， CPU使異常繼電器接通， PLC面板上的異常指示燈 LED亮，內(nèi)部特殊寄存器中存入出錯代碼并給出故障顯示標志。如果不是致命錯誤則進入 PLC的停止（ STOP）狀態(tài)；如果是現(xiàn)致命錯誤時，則 CPU被強制停止，等待錯誤排除后才轉入 STOP狀態(tài)。 （ 3）與外部設備通信 與外部設備通信階段， PLC與其他智能裝置、編程器、終端設備、彩色圖形顯示器、其他 PLC等進行信息交換，然后進行 PLC工作狀態(tài)的判斷。 PLC有 STOP和 RUN兩種工作狀態(tài)，如果 PLC處于 STOP狀態(tài)，則不執(zhí)行用戶程序，將通過與編程器等設備交換信息，完成用戶程序的編輯、修改及調(diào)試任務；如果 PLC處于 RUN狀態(tài)，則將進入掃描過程，執(zhí)行用戶程序。 （ 4）掃描過程 以掃描方式把外部輸入信 號的狀態(tài)存入輸入映像區(qū)，再執(zhí)行用戶程序，并將執(zhí)行結果輸出存入輸出映像區(qū)，直到傳送到外部設備。 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 17 PLC上電后周而復始地執(zhí)行上述工作過程，直至斷電停機。 用戶程序循環(huán)掃描 PLC對用戶程序進行循環(huán)掃描分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段 [5]。 （ 1）輸入采樣階段 CPU將全部現(xiàn)場輸入信號，如按鈕、限位開關、速度繼電器的通斷狀態(tài)經(jīng) PLC的輸入接口讀入映像寄存器，這一過程稱為輸入采樣。輸入采樣結束后進入程序執(zhí)行階段后，期間即使輸入信號發(fā)生變化，輸入映像寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)不再隨之變化，直至一個掃描循 環(huán)結束，下一次輸入采樣時才會更新。這種輸入工作方式稱為集中輸入方式。 （ 2）程序執(zhí)行階段 PLC在程序執(zhí)行階段，若不出現(xiàn)中斷或跳轉指令，就根據(jù)梯形圖程序從首地址開始按自上而下、從左往右的順序進行逐條掃描執(zhí)行，掃描過程中分別從輸入映像寄存器、輸出映像寄存器以及輔助繼電器中將有關編程元件的狀態(tài)數(shù)據(jù)“ 0”或“ 1”讀出，并根據(jù)梯形圖規(guī)定的邏輯關系執(zhí)行相應的運算，運算結果寫入對應的元件映像寄存器中保存。而需向外輸出的信號則存入輸出映像寄存器，并由輸出鎖存器保存。 （ 3）輸出處理階段 CPU將輸出映像寄存器的狀態(tài) 經(jīng)輸出鎖存器和 PLC的輸出接口傳送到外部去驅動接觸器和指示燈等負載。這時輸出鎖存器保存的內(nèi)容要等到下一個掃描周期的輸出階段才會被再次刷新。這種輸出工作方式稱為集中輸出方式。 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 18 江蘇建筑職業(yè)技術學院畢業(yè)設 計說明書 19 第 2 章 基于 PLC的電子鐘控制系統(tǒng)的硬件分析 本章主要是立足于本課題的具體要求，對西門子 S7200PLC作了主要的概述，分析了主機單元的 CPU22數(shù)字量擴展模塊 EM222以及 LED數(shù)碼管的技術指標等。 S7200PLC 的 概述 S7200PLC 是德國西門子公司生產(chǎn)的一種小型 PLC，但其許多功能已經(jīng)達到大、中型PLC的水平，而價格卻與小型機一樣，因此，它一經(jīng)推出，即受到了廣泛關注。特別是 S7200 CPU22X系列 PLC，由于它具有多種功能模塊和人機界面可供選擇，所以系統(tǒng)的集成非常方